FR2534930A1 - PROCESS FOR PRODUCING SILICON ALUMINUM ALLOYS - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE UN PROCEDE DE FABRICATION D'UN ALLIAGE DE SILICIUM-ALUMINIUM A PARTIR D'UN MINERAL NATUREL CONTENANT DE L'ALUMINE ET DE LA SILICE, ET DE LA POUDRE DE CARBONE. SELON L'INVENTION, LE MINERAL NATUREL SOUS FORME PULVERULENTE, EST INJECTE, AVEC UN AGENT REDUCTEUR, SOUS FORME D'UN VEHICULE DE CARBONE, A L'AIDE D'UN GAZ PORTEUR, DANS UN PLASMA GAZEUX PRODUIT DANS UN GENERATEUR DE PLASMA; LE MINERAL AINSI CHAUFFE EST ALORS INTRODUIT, AVEC L'AGENT REDUCTEUR ET LE PLASMA GAZEUX RICHE EN ENERGIE, DANS UNE CHAMBRE DE REACTION ENTOUREE SENSIBLEMENT, DE TOUT COTE DE L'AGENT REDUCTEUR SOLIDE EN MORCEAUX; LE MINERAL NATUREL EST CHOISI DANS LE GROUPE CONSISTANT EN ANDALOUSITE, CYANITE SILIMITE, NEPHELINE, QUARTZ, ARGILE CONTENANT DE L'ALUMINE, COMME LA BAUXITE ET MELANGES DE DEUX OU PLUSIEURS DE CES MINERAUX. L'INVENTION S'APPLIQUE NOTAMMENT A LA METALLURGIE.THE INVENTION CONCERNS A PROCESS FOR THE MANUFACTURING OF A SILICON-ALUMINUM ALLOY FROM A NATURAL MINERAL CONTAINING ALUMINA AND SILICA, AND CARBON POWDER. ACCORDING TO THE INVENTION, THE NATURAL MINERAL IN PULVERULENT FORM IS INJECTED, WITH A REDUCING AGENT, IN THE FORM OF A CARBON VEHICLE, USING A CARRIER GAS, INTO A GASEOUS PLASMA PRODUCED IN A PLASMA GENERATOR; THE MINERAL THUS HEATED IS THEN INTRODUCED, WITH THE REDUCING AGENT AND THE ENERGY-RICH GASEOUS PLASMA, IN A REACTION CHAMBER SENSITIVELY SURROUNDED ON ALL SIDES OF THE REDUCING AGENT SOLID IN PIECES; THE NATURAL MINERAL IS CHOSEN FROM THE GROUP CONSISTING OF ANDALUSITE, SILIMITE CYANITE, NEPHELINE, QUARTZ, CLAY CONTAINING ALUMINA, SUCH AS BAUXITE AND MIXTURES OF TWO OR MORE OF THESE MINERALS. THE INVENTION APPLIES IN PARTICULAR TO METALLURGY.
Description
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PROCEDE DE FABRICATION D'ALLIAGESPROCESS FOR PRODUCING ALLOYS
DE SILICIUM-ALUMINIUMSILICON-ALUMINUM
La présente invention se rapporte à un procédé de fabrication d'un alliage de silicium-aluminium à partir d'un minéral naturel et de poudre de carbone. On ajoute souvent un faible pourcentage de silicium, à l'aluminium, pour donner à celui-ci une plus grande dureté, The present invention relates to a process for producing a silicon-aluminum alloy from a natural mineral and carbon powder. A small percentage of silicon is often added to aluminum to give it greater hardness,
augmentant ainsi son utilité comme matériau de construction. thus increasing its utility as a building material.
Le silicium et l'aluminium sont normalement produits séparé- Silicon and aluminum are normally produced separately
ment puis mélangés lorsque l'aluminium est fondu pour un then mixed when the aluminum is melted for a
moulage subséquent en divers composants. subsequent molding into various components.
On produit souvent un alliage de silicium-aluminium, que l'on utilise alors dans l'alliage de l'aluminium avec le silicium, comme le silumin, qui contient 12 % de silicium le A silicon-aluminum alloy is often produced, which is then used in the alloy of aluminum with silicon, such as silumin, which contains 12% silicon on silicon.
reste étant de l'aluminium.the rest being aluminum.
L'aluminium primaire généralement produit à partir de bauxite en utilisant une électrolyse de fusion qui est un processus extrêmement co teux Le silicium est produit dans des fours à arcs électriques à partir de quartz pur et de charbon et de coke extrêmement purs Ces deux procédés nécessitent des quantités considérables d'énergie et posent des exigences importantes sur les matières premières Il est par conséquent d'un grand intérêt de pouvoir récupérer un Primary aluminum typically produced from bauxite using smelting electrolysis which is an extremely expensive process Silicon is produced in electric arc furnaces from pure quartz and extremely pure coal and coke. Both processes require considerable amounts of energy and pose significant demands on raw materials. It is therefore of great interest to be able to recover
alliage de silicium-aluminium directement à partir des miné- silicon-aluminum alloy directly from the min-
raux directement disponibles de silicium-aluminium, comme la cyanite et l'andalousite La consommation d'énergie dans un silicon-aluminum directly available, such as cyanite and andalusite Energy consumption in a
tel procédé sera considérablement plus faible Des expé- Such a process will be considerably weaker.
riences dans cette direction ont également été accomplies en Union Soviétique, par exemple, o des tentatives ont été faites pour récupérer des alliages de silicium-aluminium de in this direction, for example, attempts have been made to recover silicon-aluminum alloys from the Soviet Union.
divers minéraux de silicium-aluminium, par voies carbother- various silicon-aluminum minerals, by
miques, dans un four à arcs électriques Dans ce -cas, le minéral et la poudre de carbone sont mélangés et formés en briquettes Après traitement thermique, les briquettes sont In this case, the mineral and the carbon powder are mixed and formed into briquettes. After heat treatment, the briquettes are
introduites dans un four à arc électrique. introduced into an electric arc furnace.
Ce processus présente l'inconvénient que les condi- This process has the disadvantage that the conditions
tions imposées sur les briquettes sont extrêmement élevées; la quantité de carbone doit être corrigée et elles doivent être suffisamment résistantes pour ne pas se désintégrer imposed on the briquettes are extremely high; the amount of carbon needs to be corrected and they must be strong enough not to disintegrate
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pendant le chargement et tandis qu'elles sont dans le four. during loading and while they are in the oven.
Il est de la plus haute importance qu'il y ait une porosité et une conductivité correctes dans le four Par ailleurs, les investissements pour la préparation de la charge sont extrêmement élevées avec l'équipement pour le It is of the utmost importance that there is a good porosity and conductivity in the furnace Moreover, the investments for the preparation of the load are extremely high with the equipment for the
broyage, le mélange, la mise en forme de briquettes, le trai- grinding, mixing, forming briquettes, processing
tement thermique et autre, et en même temps les prix des heat and other, and at the same time the prices of
électrodes sont élevées.electrodes are high.
La présente invention a pour objet l'élimination des inconvénients cidessus par la mise en oeuvre d'un procédé permettant la fabrication d'un alliage de silicium-aluminium en une seule étape, et permettant également l'utilisation de The object of the present invention is to eliminate the above-mentioned disadvantages by implementing a method enabling the manufacture of a silicon-aluminum alloy in a single step, and also allowing the use of
matières premières pulvérulentes. pulverulent raw materials.
Cela est atteint par le procédé décrit dans l'intro- This is achieved by the method described in the introduction
duction au moyen de la présente invention, qui est caracté- duction by means of the present invention, which is characterized
risée en ce que le minéral de silicium-aluminium sous forme pulvérulante, avec un agent réducteur sous forme d'un véhicule de carbone, est injecté à l'aide d'un gaz porteur dans un plasma gazeux produit dans un générateur de plasma, ensuite le minéral ainsi chauffé, avec l'agent réducteur et le plasma gazeux riche en énergie, sont introduits dans une chambre de réaction entourée sensiblement de tout côté d'un in that the silicon-aluminum mineral in pulverulent form, with a reducing agent in the form of a carbon vehicle, is injected with a carrier gas into a plasma gas produced in a plasma generator, then the mineral thus heated, with the reducing agent and the energy-rich gas plasma, are introduced into a reaction chamber substantially surrounded on all sides by a
agent réducteur solide en morceaux. solid reducing agent in pieces.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le minéral naturel est choisi dans le groupe consistant en cyanite, andalousite, silimite, néphéline, quartz, argile contenant de l'alumine, comme la bauxite, et mélanges de deux ou plusieurs de ces minéraux Tout constituant volatil contenu dans les minéraux est vaporisé et part avec les gaz d'échappement pour être condensé à l'extérieur ou récupéré d'une autre façon appropriée On peut citer, comme exemples de composants volatils, outre A 1203 et 5102 qui peuvent être inclus dans le minéral, Na 2 O et K 20 Comme exemple d'un minéral contenant diverses quantités de composés volatils, on According to a preferred embodiment of the invention, the natural mineral is selected from the group consisting of cyanite, andalusite, silimite, nepheline, quartz, alumina-containing clay, such as bauxite, and mixtures of two or more thereof. minerals Any volatile constituent contained in the minerals is vaporized and leaves with the exhaust gases to be condensed externally or recovered in another suitable way. Examples of volatile components, besides A 1203 and 5102, may be mentioned. to be included in the mineral, Na 2 O and K As an example of a mineral containing various amounts of volatile compounds,
peut citer la néphéline.can cite nepheline.
Le minéral ou les minéraux sont amenés à la fusion et à la réduction par réaction avec le carbone injecté, pour The mineral or minerals are melted and reduced by reaction with the injected carbon, for
former ainsi un alliage liquide de silicium-aluminium. thus forming a liquid silicon-aluminum alloy.
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Le choix des produits bruts de silicium et d'aluminium est facilité et rendu moins coûteux grâce à l'utilisation de produits bruts pulvérulants proposés selon l'invention Le procédé proposé selon l'invention est également insensible aux propriétés électriques de la matière première, ce qui The choice of the raw products of silicon and aluminum is facilitated and made less expensive thanks to the use of pulverulent raw products proposed according to the invention. The method proposed according to the invention is also insensitive to the electrical properties of the raw material. who
facilite le choix de l'agent réducteur. facilitates the choice of the reducing agent.
L'agent réducteur injecté peut être un hydrocarbure, par exemple, tel que du gaz naturel, de la poudre de carbone, de la poudre de charbon de bois, de l'anthracite, du coke de The injected reducing agent may be a hydrocarbon, for example, such as natural gas, carbon powder, charcoal powder, anthracite,
pétrole, éventuellement purifié et de la poussière de coke. oil, possibly purified and coke dust.
La température nécessaire pour le procédé peut facile- The temperature required for the process can easily
ment être contrôlée par le moyen de la quantité d'énergie to be controlled by means of the quantity of energy
électrique fournie pour unité de plasma gazeux, afin d'obte- provided for a unit of gaseous plasma, in order to obtain
nir des conditions optimales pour une consommation minimale optimal conditions for minimum consumption
d'électricité.electricity.
Selon un mode de réalisation approprié de l'invention, According to an appropriate embodiment of the invention,
l'agent réducteur solide, en morceaux, est amené continuelie- the solid reducing agent, in pieces, is brought continuously
ment à la zone de réaction tandis qu'il est consommé. to the reaction zone while it is consumed.
Les agents réducteurs solides appropriés en morceaux sont le coke, le charbon de bois, le coke de pétrole et/ou le noir de fumée et le plasma gazeux utilisé dans le procédé peut avantageusement consisté en gaz de procédé recirculant Suitable solid reducing agents in pieces are coke, charcoal, petroleum coke and / or carbon black and the gaseous plasma used in the process may advantageously consist of recirculating process gas
de la zone de réaction.of the reaction zone.
L'agent réducteur solide en morceaux peut être une poudre convertie en morceaux au moyen d'un liant composé de C The solid reducing agent in pieces may be a powder converted into pieces by means of a binder composed of C
et H et éventuellement également de O, comme le saccharose. and H and optionally also O, such as sucrose.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le According to another embodiment of the invention, the
générateur de plasma est un générateur de plasma par induc- plasma generator is a plasma generator by inductive
tion et les impuretés des électrodes sont par conséquent the impurities of the electrodes are therefore
réduites à un minimum absolu.reduced to an absolute minimum.
Le procédé proposé selon l'invention peut avantageu- The method proposed according to the invention may advantageously
sement être utilisé pour la fabrication d'alliages de sili- be used for the manufacture of silicon alloys
cium-aluminium de haute pureté Dans ce cas, on peut utiliser, comme produits bruts, A 1203, Si O 2 extrêmement purs et l'agent réducteur avec des quantités extrêmement légères d'impuretés. L'invention sera mieux décrite en se référant à certains exemples Les réactions sont de préférence mises en In this case, the extremely pure A 1203, SiO 2 and the reducing agent can be used as extremely pure impurities. The invention will be better described with reference to certain examples. The reactions are preferably
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oeuvre dans un réacteur semblable à un four à cuve, qui est continuellement chargé, au sommet, d'un agent réducteur solide à travers un toit de haut fourneau ayant des canaux séparés et scellés d'alimentation ou bien un canal annulaire d'alimentation sur le pourtour de la cuve. Le minéral pulvérulant est soufflé au fond du réacteur It operates in a reactor-like reactor, which is continuously charged at the top with a solid reducing agent through a blast furnace roof having separate and sealed feed channels or an annular feed channel. the perimeter of the tank. The powdery mineral is blown at the bottom of the reactor
à travers des tuyères à l'aide d'un gaz inerte ou réducteur. through nozzles using an inert or reducing gas.
En même temps, de l'hydrocarbure peut être soufflé à l'inté- At the same time, hydrocarbon can be blown in
rieur, ainsi qu'éventuellement de l'oxygène gazeux, de préfé- as well as possibly gaseous oxygen, preferably
rence à travers les mêmes tuyères. through the same nozzles.
Au fond de la cuve remplie de l'agent réducteur en morceau, se trouve une chambre de réaction, entourée de tout côté par ledit agent réducteur en forme de morceau La fusion et la réduction de A 1203 et Si O 2 ont lieu instantanément dans At the bottom of the vessel filled with the reducing agent in pieces is a reaction chamber, surrounded on all sides by said piece-shaped reducing agent. The melting and reduction of A 1203 and SiO 2 take place instantaneously in
cette zone de réduction.this reduction zone.
Le gaz quittant le réacteur, qui se compose d'un The gas leaving the reactor, which consists of a
mélange d'oxyde de carbone et d'hydrogène à une haute concen- a mixture of carbon monoxide and hydrogen at a high concentration
tration, peut être remis en circulation et utilisé comme gaz porteur du plasma gazeux L'excès de gaz peut de préférence can be recirculated and used as a carrier gas for the plasma gas.
être utilisé pour la production d'énergie. be used for energy production.
Exemple 1Example 1
Une expérience a été accomplie à une demi-échelle On a utilisé, comme produit brut, de la cyanite ayant une dimension de grain de moins de 2 mm La "chambre de réaction" se composait de coke De la poudre de carbone a été utilisée comme agent réducteur et l'on a utilisé, comme gaz porteur et du plasma gazeux, le gaz de réduction lavé consistant en CO Half-scale experiment was performed Kyanite with a grain size of less than 2 mm was used as a crude product. The "reaction chamber" consisted of coke. Carbon powder was used as the raw material. reducing agent, and the carrier gas and gaseous plasma used as the washed reduction gas CO
et H 2.and H 2.
Le courant électrique fourni était de 1000 k W On a amené 3 kg de cyanite/minute sous forme de produit brut et 1,2 kg de poudre de carbone/minute et 0,3 kg de coke/minute The electric current supplied was 1000 kW. 3 kg of cyanite / minute were fed as crude product and 1.2 kg of carbon powder / minute and 0.3 kg of coke / minute.
comme agent réducteur.as a reducing agent.
On a produit, dans cette expérience, au total, environ 500 kg d'alliage de silicium-aluminium ayant une teneur en Al de 62 % La consommation moyenne d'électricité était de l'ordre de 11 k Wh/kg de l'alliage de silicium-aluminium produit. L'expérience a été effectuée à une petite échelle et In this experiment, a total of about 500 kg of silicon-aluminum alloy with an Al content of 62% was produced. The average power consumption was of the order of 11 k Wh / kg of the alloy. silicon-aluminum product. The experiment was carried out on a small scale and
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la perte de chaleur était donc considérable Avec récupéra- the loss of heat was therefore considerable.
tion de gaz, la consommation d'électricité peut être encore gas consumption, electricity consumption may still be
diminuée et les pertes de chaleur seront également considéra- decreased and heat losses will also be consid-
blement réduite dans une plus grande installation. reduced in a larger facility.
Exemple 2Example 2
On a accompli une expérience à une demi-échelle Du sable quartzeux et A 1203 ayant une dimension du grain de moins 2 mm ont été utilisés comme produit brut La "chambre de réaction" consistait en coke On a utilisé de la poudre de carbone comme agent réducteur et un gaz de réaction lavé consistant en CO et H 2 a été utilisé comme gaz porteur et gaz A half-scale experiment was performed. Quartz sand and A 1203 having a grain size of minus 2 mm were used as the raw product. The "reaction chamber" consisted of coke. Carbon powder was used as the agent. reductant and a washed reaction gas consisting of CO and H 2 was used as carrier and gas
de plasma.of plasma.
La puissance électrique fournie était de 1000 k W On a amené, en tant que produit brut, 2 kg de A 1203 et 1 kg de Si O 2/minute, et 1,2 kg de poudre de carbone/minute et 0,3 kg de coke/minute comme agent réducteur, On a produit, dans cette expérience, au total, environ 500 kg d'alliage de silicium-aluminium ayant une teneur en Al de 62 % La consommation moyenne d'électricité était de The electric power supplied was 1000 k W 2 kg of A 1203 and 1 kg of SiO 2 / minute and 1.2 kg of carbon powder / minute and 0.3 kg were fed as a raw product. as a reducing agent in this experiment, a total of about 500 kg of silicon-aluminum alloy having an Al content of 62% was produced in this experiment. The average consumption of electricity was
l'ordre de 11 k W/kg d'alliage de silicium-aluminium produit. the order of 11 k W / kg of silicon-aluminum alloy produced.
L'expérience a été effectuée à une petite échelle et par conséquent la perte de chaleur était considérable Avec récupération de gaz, la consommation d'électricité peut être encore diminuée et les pertes de chaleur sont également The experiment was carried out on a small scale and therefore the heat loss was considerable. With gas recovery, the electricity consumption can be further reduced and the heat losses are also
considérablement réduite dans une plus grande installation. greatly reduced in a larger facility.
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